一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法技术

本发明专利技术提供一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，具体步骤为：(1)在塑料柔性衬底上转移PS球；(2)利用反应离子束刻蚀技术将步骤(1)中获得的PS球模板进行缩球处理；(3)用热蒸发工艺将金属沉积到步骤(2)中PS球模板上；(4)将步骤(3)中PS球模板去掉，留下金属纳米网，作为透明柔性电容器的底电极；(5)在步骤(4)中制备的金属纳米网状电极上生长高K介质材料作为介质层；(6)重复上述步骤(1‑4)，再将金属纳米网制备在介质层上作为电容器的顶电极；(7)对顶电极进行光刻，湿法刻蚀，得到透明柔性电容器器件。利用本发明专利技术方法制备的电容器，在柔性和透光度上均有良好的表现，可用于透明柔性电子器件。

【技术实现步骤摘要】
一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法
本专利技术属于透明柔性电容器
，具体涉及一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法。
技术介绍
透明柔性电容器的应用范围非常广泛，比如在透明柔性显示领域中，作为液晶显示屏(LCD)和有机发光二极管(OLED)的驱动电路中一种充放电基本元件；在可穿戴的薄膜太阳能电池中，作为透明窗口的储能元件；在透明柔性的数字集成电路中，作为基本的逻辑元件等。但是当这些设备实现透明柔性时，对基本元件电容器的使用寿命，透明度以及柔性提出了更高的要求。电容器的品质因子越高(损耗越小)，其使用寿命就越长。其中，电容器的损耗主要来源于电极损耗和介质层损耗。因此，可以从两个方面提高电容器的品质因子从而来提高其使用寿命，一方面降低电极材料的方块电阻减小电极损耗；一方面提高介质层的绝缘性能减小介质层损耗。值得注意的是，在降低电极损耗和介质层损耗的同时，保持电容器的柔性和透明度也至关重要。基于此，电极材料通常是采用透明电极，而介质层通过引入高K材料(Al2O3、TiO2、HfO2、ZrO2等)来保证电容器良好的绝缘性能和较高的透光度。目前关于透明电极的报道很多，如ITO(掺锡的氧化铟)，AZO(掺铝的氧化锌)，石墨烯以及基于银纳米线的复合电极等。其中ITO和AZO它们的方块电阻在百欧姆级别，对于进一步降低电极损耗不利。且本身的延展性不好，无法实现电容器较好的柔性。石墨烯单原子层的六元环结构，有着良好的柔性及透光度，非常适合作为透明电极材料。但是其表面缺乏悬挂键无法用原子层沉积技术在其表面沉积质量优异的高K介质薄膜，这就会导致电容器较大的漏电流，同样不利于制备高品质因子的透明柔性电容器。而基于银纳米线的复合电极，通常其方块电阻可以降到一百欧姆以下，但是银纳米线的引入会严重降低电极的透明度。因此基于以上电极制备的透明柔性电容器，均无法同时降低电极损耗和介质层损耗来实现电容器较长的使用寿命。目前，关于如何获得方块电阻极低且拥有良好透光度的电极来制备高品质因子的透明柔性电容器的报道还没有。
技术实现思路
本专利技术拟提供一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，利用PS(聚苯乙烯)球为模板制备出方块电阻极低且透光度良好的金属纳米网状电极，可以明显的降低透明柔性电容器电极损耗，提高品质因子从而延长其使用寿命。制得的电容器的器件结构为：底电极和顶电极均采用金属纳米网状电极，高K材料作为中间介质层，整个结构为MIM(金属-绝缘体-金属)结构，使得制备的电容器，不仅品质因子高，柔性和透光度也表现良好。本专利技术为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，其特征在在于，包括如下步骤：步骤一、在塑料柔性衬底上转移PS(聚苯乙烯)球，利用其自组装特性获得有序排列的图形作为模板；步骤二、利用反应离子束刻蚀技术将步骤一中获得的PS球模板进行缩球工艺，扩大球与球之间的间隙；步骤三、用热蒸发工艺将金属沉积到步骤二中所获得的缩球处理后的PS球模板上；步骤四、将步骤三中的PS球模板去掉，留下金属纳米网，作为透明柔性电容器的底电极；步骤五、于100～500℃下，在步骤四中制备的金属纳米网状电极上生长高K介质材料作为介质层；步骤六、重复步骤一到四，再将金属纳米网制备在介质层上作为透明柔性电容器的顶电极；步骤七、对步骤六制备的顶电极进行光刻，湿法刻蚀，得到透明柔性电容器器件。所述步骤一中塑料柔性衬底为PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。所述步骤二中的PS球直径大小为950～5000nm。所述步骤三中的热蒸发的金属材料为Cr、Au、Al、Ag、Cu的一种或几种。所述步骤三中的热蒸发的金属厚度为20nm～200nm。所述步骤五中的高K介质材料为Al2O3、ZrO2、HfO2、TiO2、Y2O3的一种或者几种。所述步骤五中的介质层的厚度为5nm～50nm。原子层沉积是一种自限制的薄膜生长技术，依靠前驱体源的交叠通入反应腔，可以实现每个循环单原子层的生长。因此，这种技术可以对沉积的薄膜厚度进行纳米尺度的控制。本专利技术具有如下优点：(1)利用本专利技术方法所制备的透明柔性电容器基于柔性衬底，价格低廉，可实现大面积制备；(2)利用本专利技术方法所制备的透明柔性电容器上下电极均为金属纳米网，性能稳定，功耗低，使用寿命长；(3)本专利技术的制备方法在保证电容器良好的透光性前提下，器件的弯曲性能也表现优异。附图说明图1为金属纳米网状电极制备过程。图2为金属纳米网状电极。图3为透明柔性电容器的示意图。图4是制备的金属纳米网状电极原子力显微镜照片。图5是制备的透明柔性电容器的电容密度随频率变化的关系图。图6是制备的透明柔性电容器的品质因子随频率变化的关系图。图7是制备的透明柔性电容器，金属纳米网状电极，衬底PEN的透射谱图。图8是制备的透明柔性电容器在凸的弯曲状态下弯曲性能测试，不同的弯曲半径下漏电流密度随着电压变化的关系。图9是制备的透明柔性电容器在凹的弯曲状态下弯曲性能测试，不同的弯曲半径下漏电流密度随着电压变化的关系。其中1-PEN柔性衬底，2-金属纳米网状底电极，3-介质层，4-金属纳米网状顶电极，5-PS球。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明，一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)如图1所示，在目标柔性衬底上铺平单层的PS球作为金属纳米网的模板；(2)用反应离子束刻蚀技术进行缩球工艺，使球与球之间的间隙扩大；(3)用热蒸发沉积20～200nm的金属在PS球模板上；(4)使用化学腐蚀的方法将PS球模板去除，留下球与球之间的间隙的金属连成的纳米网。制备的金属纳米网作为透明柔性电容器的底电极，如图2所示；(5)在100～500℃下，利用原子层沉积技术在金属纳米网状电极上生长5～50nm的高K介质材料作为透明柔性电容器的介质层；(6)重复上述步骤(1)-(4)，再将金属纳米网制备在介质层上作为顶电极；(7)对顶电极进行光刻，湿法腐蚀，形成一个个的器件，单个器件大小尺寸为100um×100μm，器件结构如图3所示。实施例1选用直径大小为3umPS球，但PS球直径大小不限于3um，在2英寸的塑料衬底PET上利用其自组装特性铺平。随后用反应离子速刻蚀技术进行缩球工艺，将球与球之间的间隙扩大。接着用热蒸发将厚度为80nm的铬金沉积在PS球模板上，然后使用化学腐蚀的方法将PS球模板去除，留下球与球之间的间隙的金属连成的纳米网。制备的金属纳米网作为透明柔性电容器的底电极；在300℃下，利用原子层沉积技术在金属纳米网状电极上生长15nm的ZrO2作为透明柔性电容器的介质层；接着用上述同种方法将金属纳米网制备在介质层上作为顶电极。最后使用光刻技术将顶电极刻蚀为多个方块电极，每个电极大小100μm×100μm。实施例2选用直径大小为3umPS球，但PS球直径大小不限于3um，在2英寸的塑料衬底PEN上利用其自组装特性铺平。随后用反应离子速刻蚀技术进行缩球工艺，将球与球之间的间隙扩大。接着用热蒸发将厚度为80nm的铬金沉积在PS球模板上，然后使用化学腐蚀的方法将PS球模板去除，留下球与球之间的间隙的金属连成的纳米网，金属纳米网状电极的制备过程如图1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，其特征在在于，包括如下步骤：步骤一、在塑料柔性衬底上转移PS(聚苯乙烯)球，利用其自组装特性获得有序排列的图形作为模板；步骤二、利用反应离子束刻蚀技术将步骤一中获得的PS球模板进行缩球工艺，扩大球与球之间的间隙；步骤三、用热蒸发工艺将金属沉积到步骤二中所获得的缩球处理后的PS球模板上；步骤四、将步骤三中的PS球模板去掉，留下金属纳米网，作为透明柔性电容器的底电极；步骤五、于100～500℃下，在步骤四中制备的金属纳米网状电极上生长高K介质材料作为介质层；步骤六、重复步骤一到四，再将金属纳米网制备在介质层上作为透明柔性电容器的顶电极；步骤七、对步骤六制备的顶电极进行光刻，湿法刻蚀，得到透明柔性电容器器件。

【技术特征摘要】
1.一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，其特征在在于，包括如下步骤：步骤一、在塑料柔性衬底上转移PS(聚苯乙烯)球，利用其自组装特性获得有序排列的图形作为模板；步骤二、利用反应离子束刻蚀技术将步骤一中获得的PS球模板进行缩球工艺，扩大球与球之间的间隙；步骤三、用热蒸发工艺将金属沉积到步骤二中所获得的缩球处理后的PS球模板上；步骤四、将步骤三中的PS球模板去掉，留下金属纳米网，作为透明柔性电容器的底电极；步骤五、于100～500℃下，在步骤四中制备的金属纳米网状电极上生长高K介质材料作为介质层；步骤六、重复步骤一到四，再将金属纳米网制备在介质层上作为透明柔性电容器的顶电极；步骤七、对步骤六制备的顶电极进行光刻，湿法刻蚀，得到透明柔性电容器器件。2.如权利要求1所述的一种高品质因子的透明柔性电容器的制备方法，其特征在在于：所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭涛，刘昌，吴昊，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42